JP2009117364A - Membrane-electrode assembly for fuel cell and its manufacturing method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a membrane-electrode assembly for a fuel cell, and to provide its manufacturing method. <P>SOLUTION: The membrane-electrode assembly for a fuel cell and its manufacturing method are provided herein. The membrane-electrode assembly for a fuel cell includes: a proton exchange membrane; and electrodes respectively arranged on both surfaces of the proton exchange membrane. Each electrode includes a gas diffusion layer and a catalyst layer. The catalyst layer is arranged between the proton exchange membrane and the gas diffusion layer. The gas diffusion layer includes a carbon nanotube structure. The carbon nanotube structure includes carbon nanotubes tangled with each other. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池の膜‐電極接合体及びその製造方法に関し、特にカーボンナノチューブを使用した燃料電池の膜‐電極接合体及びその製造方法に関するものである。   The present invention relates to a membrane-electrode assembly for a fuel cell and a manufacturing method thereof, and more particularly to a membrane-electrode assembly for a fuel cell using carbon nanotubes and a manufacturing method thereof.

燃料電池は、燃料と酸化剤中に蓄えられる化学エネルギーを、電極反応を通して直接電気エネルギーに変換する発電装置である。燃料電池は、エネルギーの変換率が高く、環境汚染が少なく、応用範囲が広く、騒音がなく、連続運転が可能であるという長所があるので、軍事、国防、電力、自動車及び通信などの領域に広く、応用されている。   A fuel cell is a power generator that converts chemical energy stored in fuel and oxidant directly into electrical energy through an electrode reaction. Fuel cells have the advantages of high energy conversion rate, low environmental pollution, wide application range, no noise, and continuous operation, so they can be used in areas such as military, national defense, electric power, automobile and communication. Widely applied.

燃料電池は、アルカリ蓄電池、固体電解質型燃料電池、固体高分子型燃料電池の三種を有する(非特許文献1を参照する)。固体高分子型燃料電池は、近頃、発展が目覚しく、益々注目されている。   A fuel cell has three types, an alkaline storage battery, a solid electrolyte fuel cell, and a solid polymer fuel cell (see Non-Patent Document 1). Recently, polymer electrolyte fuel cells have been remarkably developed and attracting increasing attention.

固体高分子形燃料電池の基本構造は、カソード、固体高分子膜(電解質)、アノードを貼り合わせて一体化した膜‐電極接合体(Membrane Electrode Assembly,MEA)と呼ばれる基本部品を、反応ガスの供給流路が彫り込まれたバイポーラプレート(bipolar plate)と呼ばれる導電板で挟みこんで1つの基本単位を構成し、これを特に単セル(single cell)と呼ぶ。単セルでは運転時に約0.7Vの電圧を発生する。この単セルを積層して直列接続し高電圧を得られるようにした物をセルスタック(fuel cell stacek)と呼ぶ。   The basic structure of a polymer electrolyte fuel cell is a membrane-electrode assembly (Membrane Electrode Assembly, MEA) in which a cathode, a solid polymer membrane (electrolyte), and an anode are integrated to form a reaction gas. A basic unit is formed by sandwiching a conductive plate called a bipolar plate engraved with a supply flow path, and this is particularly called a single cell. A single cell generates a voltage of about 0.7 V during operation. A structure in which the single cells are stacked and connected in series so as to obtain a high voltage is called a cell cell stack.

該カソード及びアノードは、それぞれ触媒層(Catalyst Layer)とガス拡散層(Gas Diffusion Layer、GDLと略称する)を含み、該触媒層は、前記ガス拡散層と前記固体高分子膜の間に設置される。該固体高分子膜の材料は、ペルフルオロスルホン酸(perfluorosulfonic acid)、ポリスチレンスルホン酸(polystyrene sulfonic acid)、ポリスチレントリフルオロ酢酸(polystyrene trifluoroacetic acid)、フェノール樹脂酸(phenol−formaldehyde resin acid)及び炭化水素(hydrocarbons)のいずれか一種である。前記触媒層は、触媒材料と担体を含む。該触媒材料は、例えば、白金、金またはルテニウムなどの金属粒子である。前記担体は、例えば、グラファイト、カーボンブラック、炭素繊維またはカーボンナノチューブなどの炭素粒子である。前記ガス拡散層は、処理されたカーボン布またはカーボン紙からなる。   Each of the cathode and anode includes a catalyst layer and a gas diffusion layer (abbreviated as GDL), and the catalyst layer is disposed between the gas diffusion layer and the solid polymer membrane. The The material of the solid polymer membrane includes perfluorosulfonic acid, polystyrene sulfonic acid, polystyrene trifluoroacetic acid, phenol-formaldehyde hydrogenated resin, and phenol-formaldehyde hydrogenated resin. hydrocarbons). The catalyst layer includes a catalyst material and a support. The catalyst material is, for example, metal particles such as platinum, gold, or ruthenium. The carrier is, for example, carbon particles such as graphite, carbon black, carbon fiber, or carbon nanotube. The gas diffusion layer is made of a treated carbon cloth or carbon paper.

前記膜‐電極接合体を有する燃料電池を使用する時には、関連する部品を利用して、フローフィールドプレートを通して、膜‐電極接合体の固体高分子膜の両表面に設置された電極に燃料ガス及び酸化剤とするガスを注入する。前記燃料ガスは水素ガスであり、前記酸化剤とするガスは酸素ガスまたは酸素ガスを含む空気である。該燃料ガスを注入する電極はアノードであり、該酸化剤とするガスを注入する電極はカソードである。前記燃料電池の一端に該水素ガスが該燃料電池のアノードに入った後で、触媒の作用で、水素分子は下記のように反応する。   When using a fuel cell having the membrane-electrode assembly, the fuel gas and the electrodes installed on both surfaces of the solid polymer membrane of the membrane-electrode assembly are passed through the flow field plate using the relevant components. A gas to be oxidant is injected. The fuel gas is hydrogen gas, and the gas used as the oxidant is oxygen gas or air containing oxygen gas. The electrode for injecting the fuel gas is an anode, and the electrode for injecting the gas as the oxidant is a cathode. After the hydrogen gas enters the anode of the fuel cell at one end of the fuel cell, hydrogen molecules react as follows by the action of the catalyst.

→2H+2e H 2 → 2H + + 2e

前記反応から生成された水素イオンは、前記固体高分子膜を通して、カソードに到達する。同時に、前記反応から生成された電子は、外部回路(図示せず)により前記カソードに到達する。   Hydrogen ions generated from the reaction reach the cathode through the solid polymer membrane. At the same time, the electrons generated from the reaction reach the cathode by an external circuit (not shown).

前記燃料電池の他端に、前記酸素ガスがカソードに注入された後、前記酸素ガスと、前記水素イオン及び電子とは、次のように反応する。   After the oxygen gas is injected into the cathode at the other end of the fuel cell, the oxygen gas reacts with the hydrogen ions and electrons as follows.

1/2O+2H+2e→H1 / 2O 2 + 2H + + 2e → H 2 O

前記電気化学反応の過程において、外部回路が接続される場合には、電子が電流を形成し、適切な接続を通して負荷に電気エネルギーを出力することができる。前記反応から生成された水が前記ガス拡散層と前記フローフィールドプレートを通して、排出される。前記燃料ガスと前記酸化剤とするガスが前記ガス拡散層を通して、前記触媒層に拡散する。反応に必要な電子及び反応から生成された電子は、前記ガス拡散層と外部回路が接続されることにより伝達される。従って、前記ガス拡散層の材料の選択及び製造方法は、固体高分子膜燃料電池の性能に重要な影響を及ぼす。
Recent advances in fuel cell technology and itsapplication、Journal of Power Sources、2001年、第100巻、p.60−66 Kaili Jiang、Qunqing Li、Shoushan Fan、“Spinning continuous carbon nanotube yarns”、Nature、2002年、第419巻、p.801
In the course of the electrochemical reaction, when an external circuit is connected, the electrons form a current and can output electrical energy to the load through an appropriate connection. Water generated from the reaction is discharged through the gas diffusion layer and the flow field plate. The fuel gas and the gas used as the oxidant diffuse into the catalyst layer through the gas diffusion layer. Electrons necessary for the reaction and electrons generated from the reaction are transmitted by connecting the gas diffusion layer and an external circuit. Therefore, the material selection and manufacturing method of the gas diffusion layer has an important influence on the performance of the polymer electrolyte fuel cell.
Recent advances in fuel cell technology and its application, Journal of Power Sources, 2001, Vol. 100, p. 60-66 Kaili Jiang, Quung Li, Shuushan Fan, “Spinning continuous carbon nanotube yarns”, Nature, 2002, vol. 419, p. 801

しかし、現在、燃料電池の膜‐電極接合体に用いられるガス拡散層としては、炭素繊維紙が利用されている。従来の炭素繊維紙の製造方法は、炭素繊維、木材パルプ及びセルロース繊維を混合して、紙パルプを製作してから炭素繊維紙を製造することである。該炭素繊維紙において炭素繊維の分布が不均一であるので、前記構造を有する炭素繊維紙を利用したガス拡散層は、均一に反応ガスを拡散することができないという欠点がある。また、従来の炭素繊維紙の抵抗率は大きいので、前記ガス拡散層を機能させるための電子、及び前記ガス拡散層から生成された電子を良好に伝導することができない。上述の欠点が原因で、燃料電池の膜‐電極接合体の反応活性などの電気化学的性能が悪くなる。また、従来の炭素繊維紙は、靭性が良くないので、加工に不便である。   However, at present, carbon fiber paper is used as a gas diffusion layer used in a membrane-electrode assembly of a fuel cell. A conventional method for producing carbon fiber paper is to produce carbon fiber paper after mixing carbon fiber, wood pulp and cellulose fiber to produce paper pulp. Since the carbon fiber distribution in the carbon fiber paper is not uniform, the gas diffusion layer using the carbon fiber paper having the above structure has a drawback that the reaction gas cannot be diffused uniformly. Moreover, since the resistivity of the conventional carbon fiber paper is large, electrons for causing the gas diffusion layer to function and electrons generated from the gas diffusion layer cannot be conducted well. Due to the above-mentioned drawbacks, the electrochemical performance such as the reaction activity of the membrane-electrode assembly of the fuel cell is deteriorated. Further, conventional carbon fiber paper is inconvenient for processing because of poor toughness.

従って、本発明は、さらに良い反応活性を有し、加工に便利する燃料電池の膜‐電極接合体及びその製造方法を提供する。   Accordingly, the present invention provides a fuel cell membrane-electrode assembly that has better reaction activity and is convenient for processing, and a method for producing the same.

固体高分子膜と、該固体高分子膜の両表面にそれぞれ設置された電極とを含む膜‐電極接合体において、前記電極がガス拡散層と触媒層を含み、前記触媒層が前記固体高分子膜と前記ガス拡散層の間に設置され、前記ガス拡散層が、カーボンナノチューブ構造体を含み、該カーボンナノチューブ構造体には、互いに絡み合ったカーボンナノチューブを含む。   In a membrane-electrode assembly including a solid polymer membrane and electrodes respectively installed on both surfaces of the solid polymer membrane, the electrode includes a gas diffusion layer and a catalyst layer, and the catalyst layer is the solid polymer The gas diffusion layer is disposed between a film and the gas diffusion layer, and the gas diffusion layer includes a carbon nanotube structure, and the carbon nanotube structure includes carbon nanotubes entangled with each other.

前記カーボンナノチューブ構造体において、カーボンナノチューブが等方性に、均一的に不規則に配列される。   In the carbon nanotube structure, the carbon nanotubes are isotropically and uniformly arranged irregularly.

前記カーボンナノチューブ構造体において、単一の前記カーボンナノチューブの長さが10マイクロメートル以上である。   In the carbon nanotube structure, a single carbon nanotube has a length of 10 micrometers or more.

前記カーボンナノチューブ構造体において、前記カーボンナノチューブが分子間力で絡み合って、ネットワーク構造が形成される。   In the carbon nanotube structure, the carbon nanotubes are entangled by intermolecular force to form a network structure.

前記カーボンナノチューブ構造体において、複数の微孔構造を有し、単一の前記微孔構造の孔径が100マイクロメートル以下である。   The carbon nanotube structure has a plurality of micropore structures, and a single micropore structure has a pore diameter of 100 micrometers or less.

前記カーボンナノチューブ構造体において、前記ガス拡散層の厚さが1マイクロメートル〜2ミリメートルである。   In the carbon nanotube structure, the thickness of the gas diffusion layer is 1 micrometer to 2 millimeters.

燃料電池の膜‐電極接合体の製造方法は、ガス拡散層とするカーボンナノチューブ構造体を製造する第一ステップと、前記ガス拡散層の表面に触媒層を形成し、電極を形成する第二ステップと、固体高分子膜を提供し、該固体高分子膜の両表面にそれぞれ前記電極を設置し、燃料電池の膜‐電極接合体を形成する第三ステップと、を含む。   A fuel cell membrane-electrode assembly manufacturing method includes a first step of manufacturing a carbon nanotube structure as a gas diffusion layer, and a second step of forming a catalyst layer on the surface of the gas diffusion layer to form an electrode. And a third step of providing a solid polymer membrane, installing the electrodes on both surfaces of the solid polymer membrane, and forming a membrane-electrode assembly of a fuel cell.

前記ガス拡散層とするカーボンナノチューブ構造体を製造第一ステップは、カーボンナノチューブの原料を提供する第一サブステップと、前記カーボンナノチューブの原料を溶剤に浸漬し、該カーボンナノチューブの原料を処理して、綿毛構造のカーボンナノチューブ構造を形成する第二サブステップと、前記綿毛構造のカーボンナノチューブ構造をろ過して、カーボンナノチューブ構造体を形成する第三サブステップと、を含む。   The first step of producing a carbon nanotube structure as the gas diffusion layer is a first sub-step of providing a carbon nanotube raw material, and immersing the carbon nanotube raw material in a solvent to treat the carbon nanotube raw material. A second sub-step of forming a carbon nanotube structure having a fluff structure and a third sub-step of forming a carbon nanotube structure by filtering the carbon nanotube structure having the fluff structure.

従来の燃料電池の膜‐電極接合体と比べると、本発明の燃料電池の膜‐電極接合体には、ガス拡散層がカーボンナノチューブ構造体を含む。該カーボンナノチューブ構造体におけるカーボンナノチューブが等方性に、均一的に、不規則に配列されるので、前記カーボンナノチューブ構造体には、多く、均一に分布された微孔構造が含み、該カーボンナノチューブが大きい比表面積を有する。この構造は、有効に均一的に水素ガスと酸化剤とするガスを拡散できる。   Compared with the membrane-electrode assembly of the conventional fuel cell, in the membrane-electrode assembly of the fuel cell of the present invention, the gas diffusion layer includes a carbon nanotube structure. Since the carbon nanotubes in the carbon nanotube structure are isotropically, uniformly and irregularly arranged, the carbon nanotube structure includes a large number of uniformly distributed microporous structures, and the carbon nanotube Has a large specific surface area. This structure can diffuse hydrogen gas and an oxidizing agent gas effectively and uniformly.

該カーボンナノチューブの抵抗率が炭素繊維の抵抗率より小さいから、前記カーボンナノチューブ構造体の抵抗率が従来の炭素繊維紙の抵抗率より小さく、反応に必要な電子、及び反応から生成された電子を有効に伝達できる。従って、該燃料電池の膜‐電極接合体のガス拡散層は、該膜‐電極接合体の反応活性を高める。   Since the resistivity of the carbon nanotube is smaller than the resistivity of the carbon fiber, the resistivity of the carbon nanotube structure is smaller than the resistivity of the conventional carbon fiber paper, and the electrons necessary for the reaction and the electrons generated from the reaction are reduced. Can communicate effectively. Accordingly, the gas diffusion layer of the membrane-electrode assembly of the fuel cell enhances the reaction activity of the membrane-electrode assembly.

該カーボンナノチューブ構造体において、複数のカーボンナノチューブが分子間力で互いに吸引し、絡み合って、ネットワーク構造が形成され、該カーボンナノチューブ構造体が良い靭性を有するようになり、異なる形状を有する燃料電池の膜電極を製造することに用いられる。   In the carbon nanotube structure, a plurality of carbon nanotubes are attracted to each other by intermolecular force and entangled with each other to form a network structure. The carbon nanotube structure has good toughness, and has a different shape. Used for manufacturing membrane electrodes.

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

(実施形態1)
本実施形態は、燃料電池の膜‐電極接合体10を提供する。該燃料電池の膜‐電極接合体10は、固体高分子膜12と二つの電極14を含む。該電極14は、ガス拡散層16と触媒層18を含む。前記電極14がそれぞれ前記固体高分子膜12の両表面に設置され、前記触媒層18が前記固体高分子膜12と前記ガス拡散層16の間に設置される。
(Embodiment 1)
The present embodiment provides a membrane-electrode assembly 10 of a fuel cell. The fuel cell membrane-electrode assembly 10 includes a solid polymer membrane 12 and two electrodes 14. The electrode 14 includes a gas diffusion layer 16 and a catalyst layer 18. The electrodes 14 are respectively installed on both surfaces of the solid polymer film 12, and the catalyst layer 18 is installed between the solid polymer film 12 and the gas diffusion layer 16.

前記ガス拡散層16は、カーボンナノチューブ構造体を含む。該カーボンナノチューブ構造体は複数のカーボンナノチューブからなる自立構造である。該複数のカーボンナノチューブは互いに絡み合っている。該カーボンナノチューブ構造体の厚さは1マイクロメートル〜2ミリメートルである。前記カーボンナノチューブ構造体において、カーボンチューブは等方的に均一的に不規則に配列され、多くの微孔構造が形成され、該微孔構造の直径は100マイクロメートル以下である。該カーボンナノチューブの抵抗率が炭素繊維の抵抗率より小さいから、前記カーボンナノチューブ構造体の抵抗率は従来の炭素繊維紙の抵抗率より小さい。前記カーボンナノチューブ構造体において、複数のカーボンナノチューブが分子間力(ファンデルワールス力)で互いに絡み合って、ネットワーク構造が形成され、該カーボンナノチューブ構造体が良い靭性を有するようになる。   The gas diffusion layer 16 includes a carbon nanotube structure. The carbon nanotube structure is a self-supporting structure composed of a plurality of carbon nanotubes. The plurality of carbon nanotubes are intertwined with each other. The carbon nanotube structure has a thickness of 1 micrometer to 2 millimeters. In the carbon nanotube structure, the carbon tubes are isotropically and irregularly arranged to form many microporous structures, and the diameter of the microporous structures is 100 micrometers or less. Since the resistivity of the carbon nanotube is smaller than the resistivity of the carbon fiber, the resistivity of the carbon nanotube structure is smaller than the resistivity of the conventional carbon fiber paper. In the carbon nanotube structure, a plurality of carbon nanotubes are entangled with each other by an intermolecular force (van der Waals force) to form a network structure, and the carbon nanotube structure has good toughness.

前記触媒層18は、金属粒子と炭素粒子を含む。該金属粒子は、白金、金またはルテニウムなどであり、白金が好ましい。前記炭素粒子は、グラファイト、カーボンブラック、炭素繊維またはカーボンナノチューブなどであり、カーボンナノチューブが好ましい。前記金属粒子が前記炭素粒子に分散し、触媒層18が形成される。触媒材料とする金属粒子は、担持量が0.5mg/cmより、小さい。前記固体高分子膜12の材料は、ペルフルオロスルホン酸(perfluorosulfonic acid)、ポリスチレンスルホン酸(polystyrene sulfonic acid)、ポリスチレントリフルオロ酢酸(polystyrene trifluoroacetic acid)、フェノール樹脂酸(phenol−formaldehyde resin acid)及び炭化水素(hydrocarbons)のいずれか一種である。 The catalyst layer 18 includes metal particles and carbon particles. The metal particles are platinum, gold or ruthenium, and platinum is preferable. The carbon particles are graphite, carbon black, carbon fiber, carbon nanotube, or the like, and carbon nanotubes are preferable. The metal particles are dispersed in the carbon particles, and the catalyst layer 18 is formed. The metal particles used as the catalyst material have a loading amount smaller than 0.5 mg / cm 2 . The material of the solid polymer membrane 12 is perfluorosulfonic acid, polystyrene sulfonic acid, polystyrene trifluoroacetic acid, phenol-formaldehyde hydrogenated phenolic acid. (Hydrocarbons).

(実施形態2)
図2を参照すると、本実施形態は、燃料電池の膜‐電極接合体10の製造方法を提供する。該製造方法は、下記のようなステップを含む。
(Embodiment 2)
Referring to FIG. 2, the present embodiment provides a method for manufacturing a fuel cell membrane-electrode assembly 10. The manufacturing method includes the following steps.

第一ステップでは、カーボンナノチューブ構造体を製造し、該カーボンナノチューブ構造体をガス拡散層16として利用する。   In the first step, a carbon nanotube structure is manufactured, and the carbon nanotube structure is used as the gas diffusion layer 16.

前記カーボンナノチューブ構造体の製造方法は、下記のようなサブステップを含む。   The method for manufacturing the carbon nanotube structure includes the following sub-steps.

第一サブステップでは、カーボンナノチューブアレイが形成された基材を提供し、ナイフのような工具で前記カーボンナノチューブを前記基材から剥離し、カーボンナノチューブの原料が形成される。前記カーボンナノチューブは、ある程度互いに絡み合っている。前記カーボンナノチューブの原料においては、単一のカーボンナノチューブの長さは10マイクロメートル以上である。本実施形態から提供されたカーボンナノチューブアレイは、単層カーボンナノチューブ、二層カーボンナノチューブ、又は多層カーボンナノチューブを含むことができる。   In the first sub-step, a base material on which a carbon nanotube array is formed is provided, and the carbon nanotubes are peeled from the base material with a tool such as a knife to form a carbon nanotube raw material. The carbon nanotubes are intertwined with each other to some extent. In the carbon nanotube raw material, the length of the single carbon nanotube is 10 micrometers or more. The carbon nanotube array provided from this embodiment may include single-walled carbon nanotubes, double-walled carbon nanotubes, or multi-walled carbon nanotubes.

本実施形態において、前記カーボンナノチューブアレイの製造方法は、化学気相堆積(CVD)法を採用する。該製造方法は、次のステップを含む。ステップ(a)では、平らな基材を提供し、該基材はP型のシリコン基材、N型のシリコン基材及び酸化層が形成されたシリコン基材のいずれか一種である。本実施形態において、4インチのシリコン基材を選択することが好ましい。ステップ(b)では、前記基材の表面に、均一的に触媒層を形成する。該触媒層の材料は鉄、コバルト、ニッケル及びその両種以上の合金のいずれか一種である。ステップ(c)では、前記触媒層が形成された基材を700℃〜900℃の空気で30分〜90分間アニーリングする。ステップ(d)では、アニーリングされた基材を反応炉に置き、保護ガスで500℃〜740℃の温度で加熱した後で、カーボンを含むガスを導入して、5分〜30分間反応を行って、超配列カーボンナノチューブアレイ(Superaligned array of carbon nanotubes,非特許文献2)を成長させることができる。該カーボンナノチューブアレイの高さは100マイクロメートル以上である。該カーボンナノチューブアレイは、互いに平行し、基材に垂直するように生長する複数のカーボンナノチューブからなる。該カーボンナノチューブは、長さが長いから、部分のカーボンナノチューブが互いに絡み合っている。生長の条件を制御することによって、前記カーボンナノチューブアレイは、例えば、アモルファスカーボン及び残りの触媒となる金属粒子などの不純物を含まなくなる。   In this embodiment, a chemical vapor deposition (CVD) method is adopted as a method for manufacturing the carbon nanotube array. The manufacturing method includes the following steps. In step (a), a flat substrate is provided, and the substrate is any one of a P-type silicon substrate, an N-type silicon substrate, and a silicon substrate on which an oxide layer is formed. In this embodiment, it is preferable to select a 4-inch silicon substrate. In step (b), a catalyst layer is uniformly formed on the surface of the substrate. The material of the catalyst layer is any one of iron, cobalt, nickel and alloys of both of them. In step (c), the substrate on which the catalyst layer has been formed is annealed with air at 700 ° C. to 900 ° C. for 30 minutes to 90 minutes. In step (d), the annealed substrate is placed in a reaction furnace, heated with a protective gas at a temperature of 500 ° C. to 740 ° C., and then a carbon-containing gas is introduced to react for 5 to 30 minutes. Thus, a super-aligned carbon nanotube array (Non-patent Document 2) can be grown. The carbon nanotube array has a height of 100 micrometers or more. The carbon nanotube array is composed of a plurality of carbon nanotubes that grow parallel to each other and perpendicular to the substrate. Since the carbon nanotube has a long length, the carbon nanotubes of the part are intertwined with each other. By controlling the growth conditions, the carbon nanotube array does not contain impurities such as amorphous carbon and remaining metal particles serving as the catalyst.

本実施形態において、前記カーボンを含むガスとしては例えば、アセチレン、エチレン、メタンなどの活性な炭化水素が選択され、エチレンを選択することが好ましい。保護ガスは窒素ガスまたは不活性ガスであり、アルゴンガスが好ましい。   In this embodiment, as the gas containing carbon, for example, active hydrocarbons such as acetylene, ethylene, and methane are selected, and it is preferable to select ethylene. The protective gas is nitrogen gas or inert gas, preferably argon gas.

本実施形態から提供されたカーボンナノチューブアレイは、前記の製造方法により製造されることに制限されず、アーク放電法またはレーザー蒸発法で製造してもいい。該カーボンナノチューブアレイを原料にする。   The carbon nanotube array provided from the present embodiment is not limited to being manufactured by the above manufacturing method, and may be manufactured by an arc discharge method or a laser evaporation method. The carbon nanotube array is used as a raw material.

第二サブステップでは、前記カーボンナノチューブの原料を溶剤に浸漬し、該カーボンナノチューブの原料を処理して、綿毛構造のカーボンナノチューブ構造を形成する。   In the second sub-step, the carbon nanotube raw material is immersed in a solvent, and the carbon nanotube raw material is processed to form a fluffy carbon nanotube structure.

前記カーボンナノチューブ原料を前記溶媒に浸漬した後、超音波式分散又は高強度攪拌又は振動などの方法により、前記カーボンナノチューブを綿毛構造に形成させる。本実施形態において、前記溶剤は水または揮発性有機溶剤である。超音波式分散方法により、カーボンナノチューブを含む溶剤に対して10〜30分間処理する。カーボンナノチューブは大きい比表面積を持ち、カーボンナノチューブの間に大きい分子間力があるので、前記カーボンナノチューブはそれぞれもつれて、綿毛構造に形成されている。   After the carbon nanotube raw material is immersed in the solvent, the carbon nanotube is formed into a fluff structure by a method such as ultrasonic dispersion, high-strength stirring, or vibration. In this embodiment, the solvent is water or a volatile organic solvent. Treatment is performed for 10 to 30 minutes with respect to the solvent containing carbon nanotubes by an ultrasonic dispersion method. Since carbon nanotubes have a large specific surface area and a large intermolecular force between the carbon nanotubes, the carbon nanotubes are entangled and formed into a fluff structure.

第三サブステップでは、前記綿毛構造のカーボンナノチューブ構造をろ過して、カーボンナノチューブ構造体を形成する。該カーボンナノチューブ構造体を燃料電池の膜‐電極接合体10のガス拡散層16にする。   In the third sub-step, the carbon nanotube structure having the fluff structure is filtered to form a carbon nanotube structure. The carbon nanotube structure is used as the gas diffusion layer 16 of the membrane-electrode assembly 10 of the fuel cell.

本実施形態において、まず、濾紙が置かれたファネルを提供する。前記綿毛構造のカーボンナノチューブ構造を含む溶剤を濾紙が置かれたファネルにつぎ、しばらく放置して、乾燥させると、綿毛構造のカーボンナノチューブ構造が分離される。図3は、前記濾紙に置かれた綿毛構造のカーボンナノチューブ構造である。図3から、カーボンナノチューブが互いに絡み合って、不規則的な綿毛構造であることが分かる。   In this embodiment, first, a funnel on which filter paper is placed is provided. When the solvent containing the carbon nanotube structure having the fluff structure is applied to the funnel on which the filter paper is placed and left for a while and dried, the carbon nanotube structure having the fluff structure is separated. FIG. 3 shows a carbon nanotube structure having a fluff structure placed on the filter paper. From FIG. 3, it can be seen that the carbon nanotubes are entangled with each other to form an irregular fluff structure.

分離された前記綿毛構造のカーボンナノチューブ構造を容器に置き、前記綿毛構造のカーボンナノチューブ構造を所定の形状に展開し、展開された前記綿毛構造のカーボンナノチューブ構造に所定の圧力を加え、前記綿毛構造のカーボンナノチューブ構造に残留した溶剤を焙り、或いは、該溶剤が自然に揮発すると、カーボンナノチューブ構造体が形成される。   The separated carbon nanotube structure of the fluff structure is placed in a container, the carbon nanotube structure of the fluff structure is expanded into a predetermined shape, a predetermined pressure is applied to the carbon nanotube structure of the fluff structure, and the fluff structure When the solvent remaining in the carbon nanotube structure is roasted or the solvent volatilizes naturally, a carbon nanotube structure is formed.

本実施形態において、前記綿毛構造のカーボンナノチューブ構造が展開される面積によって、カーボンナノチューブ構造体の厚さと面密度を制御できる。即ち、一定の体積を有する前記綿毛構造のカーボンナノチューブ構造は、展開される面積が大きくなるほど、カーボンナノチューブ構造体の厚さと面密度が小さくなる。該カーボンナノチューブ構造体の厚さは1マイクロメートル〜2ミリメートルであり、幅は1センチメートル〜10センチメートルである。図4は、本実施形態において形成されたカーボンナノチューブ構造体である。   In this embodiment, the thickness and surface density of the carbon nanotube structure can be controlled by the area where the carbon nanotube structure having the fluff structure is developed. That is, the fluff structure carbon nanotube structure having a certain volume has a smaller thickness and areal density as the developed area increases. The carbon nanotube structure has a thickness of 1 micrometer to 2 millimeters and a width of 1 centimeter to 10 centimeters. FIG. 4 shows a carbon nanotube structure formed in this embodiment.

また、微多孔膜とエアーポンプファネル(Air−pumping Funnel)を利用してカーボンナノチューブ構造体が形成される。具体的には、微多孔膜とエアーポンプファネルを提供し、前記綿毛構造のカーボンナノチューブ構造を含む溶剤を前記微多孔膜を通して前記エアーポンプファネルにつぎ、該エアーポンプファネルに抽気し、乾燥させると、カーボンナノチューブ構造体が形成される。前記微多孔膜は、平滑な表面を有する。該微多孔膜において、単一の微小孔の直径は、0.22μmにされている。前記微多孔膜は平滑な表面を有するので、前記カーボンナノチューブ構造は容易に前記微多孔膜から剥落することができる。さらに、前記エアーポンプを利用することにより、前記綿毛構造のカーボンナノチューブ構造に空気圧をかけるので、均一なカーボンナノチューブ構造体を形成させることができる。   A carbon nanotube structure is formed using a microporous membrane and an air-pumping funnel. Specifically, a microporous membrane and an air pump funnel are provided, and the solvent containing the fluffy carbon nanotube structure is passed through the microporous membrane to the air pump funnel, and then extracted to the air pump funnel and dried. A carbon nanotube structure is formed. The microporous film has a smooth surface. In the microporous membrane, the diameter of a single micropore is 0.22 μm. Since the microporous membrane has a smooth surface, the carbon nanotube structure can be easily peeled off from the microporous membrane. Furthermore, since the air pump is used to apply air pressure to the fluffy carbon nanotube structure, a uniform carbon nanotube structure can be formed.

本実施形態から製造されたカーボンナノチューブ構造体では、互いに絡み合ったカーボンナノチューブが分子間力で互いに吸引し、ネットワーク構造が形成されるので、該カーボンナノチューブ構造体が良い靭性を有するようになる。前記カーボンナノチューブ構造体は柔軟性を有するので、該カーボンナノチューブ構造体は任意の形状に折り畳まれることができ、加工に便利である。図5は、本実施形態から製造されたカーボンナノチューブ構造体が折り畳まれた写真である。   In the carbon nanotube structure manufactured from the present embodiment, the entangled carbon nanotubes are attracted to each other by intermolecular force to form a network structure, so that the carbon nanotube structure has good toughness. Since the carbon nanotube structure has flexibility, the carbon nanotube structure can be folded into an arbitrary shape, which is convenient for processing. FIG. 5 is a photograph of the carbon nanotube structure manufactured from the present embodiment folded.

本実施形態において、前記カーボンナノチューブ構造体は、実際の応用に応じて、任意の形状とサイズで切断でき、小型の燃料電池のガス拡散層16に応用され、応用範囲を拡大することに利益がある。   In the present embodiment, the carbon nanotube structure can be cut in any shape and size according to actual application, and can be applied to the gas diffusion layer 16 of a small fuel cell, which is beneficial for expanding the application range. is there.

第二ステップでは、前記ガス拡散層16の一つの表面に触媒層18を製造し、電極14を形成するようになる。   In the second step, the catalyst layer 18 is manufactured on one surface of the gas diffusion layer 16 to form the electrode 14.

前記触媒層18を製造する方法は、下記のような工程を含む。   The method for manufacturing the catalyst layer 18 includes the following steps.

まず、金属粒子及び炭素粒子からなる混合物を溶液に置いて、前記溶液に水及び表面活性剤を添加して前記混合物を分散させ、触媒剤パルプを形成する。   First, a mixture of metal particles and carbon particles is placed in a solution, and water and a surfactant are added to the solution to disperse the mixture, thereby forming a catalyst pulp.

前記触媒材料である金属粒子は、白金、金及びルテニウムのいずれか一種である。前記担体である炭素粒子は、グラファイト、カーボンブラック、炭素繊維及びカーボンナノチューブのいずれか一種である。前記金属粒子は、前記担体である炭素粒子の表面に担持され、分散した粒子が形成されている。前記金属粒子の担持量が0.5mg/cm以下であるように設定されている。前記炭素粒子は、高い導電性、高い比表面積、耐腐蝕性を有する。前記溶液は、CHF1000樹脂をジメチルアセトアミドに溶解して形成したものである。該溶液に含まれた樹脂の濃度は5wt%である。前記表面活性剤は、炭素粒子の凝集を抑えるものであり、例えば、イソプロピルアルコールなどを利用することができる。前記炭素粒子を前記触媒剤パルプに均一に分散させるために、前記触媒剤パルプを製造する前に、ボールミルで炭素粒子を研磨し、該炭素粒子の直径を減少させることができる。前記炭素粒子の分散方法としては、超音波または高強度で攪拌する方法を利用することができる。 The metal particles as the catalyst material are any one of platinum, gold, and ruthenium. The carbon particles as the carrier are any one of graphite, carbon black, carbon fiber, and carbon nanotube. The metal particles are supported on the surface of the carbon particles as the carrier, and dispersed particles are formed. The amount of the metal particles supported is set to be 0.5 mg / cm 2 or less. The carbon particles have high conductivity, high specific surface area, and corrosion resistance. The solution is formed by dissolving CHF1000 resin in dimethylacetamide. The concentration of the resin contained in the solution is 5 wt%. The surfactant suppresses the aggregation of carbon particles, and for example, isopropyl alcohol can be used. In order to uniformly disperse the carbon particles in the catalyst agent pulp, before producing the catalyst agent pulp, the carbon particles can be polished by a ball mill to reduce the diameter of the carbon particles. As a method for dispersing the carbon particles, a method of stirring with ultrasonic waves or high intensity can be used.

次に、前記触媒剤パルプを前記ガス拡散層16の一つの表面に塗布して乾燥させ、触媒層18を形成する。   Next, the catalyst pulp is applied to one surface of the gas diffusion layer 16 and dried to form the catalyst layer 18.

前記触媒剤パルプを塗布する方法は、スパッタ法、浸漬法またはスクリーン印刷法のいずれか一種である。前記触媒剤パルプを乾燥する方法としては、低温の条件で乾かすか、または焼付けの方法が利用されることができる。これにより、触媒層18が罅又は隙間に浸透することを防止することができる。   The method for applying the catalyst pulp is one of a sputtering method, a dipping method, and a screen printing method. As a method for drying the catalyst agent pulp, it is possible to dry under a low temperature condition or to use a baking method. Thereby, it is possible to prevent the catalyst layer 18 from penetrating into the soot or the gap.

第三ステップでは、固体高分子膜12を提供し、前記電極14をそれぞれ前記固体高分子膜12の両表面に設置し、燃料電池の膜‐電極接合体10を形成する。   In the third step, the solid polymer membrane 12 is provided, and the electrodes 14 are installed on both surfaces of the solid polymer membrane 12 to form the fuel cell membrane-electrode assembly 10.

熱圧方法で前記電極14をそれぞれ固体高分子膜12の両表面に結合させることができる。前記電極14の触媒層18は前記固体高分子膜12の表面に隣接し、前記ガス交換層16及び前記固体高分子膜12の間に設置される。該固体高分子膜12の材料は、ペルフルオロスルホン酸、ポリスチレンスルホン酸、ポリスチレントリフルオロ酢酸、フェノール樹脂酸及び炭化水素のいずれか一種である。   The electrodes 14 can be bonded to both surfaces of the solid polymer film 12 by hot pressing. The catalyst layer 18 of the electrode 14 is adjacent to the surface of the solid polymer membrane 12 and is disposed between the gas exchange layer 16 and the solid polymer membrane 12. The material of the solid polymer film 12 is any one of perfluorosulfonic acid, polystyrene sulfonic acid, polystyrene trifluoroacetic acid, phenol resin acid, and hydrocarbon.

本実施形態において、前記ガス拡散層16の製造方法には、下記のような長所がある。カーボンナノチューブの原料に処理を行うことによって、前記カーボンナノチューブを互いに絡み合わせ、製造されたカーボンナノチューブ構造体が良い靭性を有するようになる。該製造方法は、製造する過程において、カーボンナノチューブ構造体の厚さと面密度を制御でき、工程が簡単で、実際の応用に便利である。   In the present embodiment, the method for manufacturing the gas diffusion layer 16 has the following advantages. By processing the carbon nanotube raw material, the carbon nanotubes are entangled with each other, and the manufactured carbon nanotube structure has good toughness. The manufacturing method can control the thickness and surface density of the carbon nanotube structure in the manufacturing process, has a simple process, and is convenient for actual application.

(実施形態3)
図6を参照すると、本発明は、燃料電池600を提供する。該燃料電池600は、膜‐電極接合体618、二つのフローフィールドプレート610、二つの集電体612及び関連部品614を含む。
(Embodiment 3)
Referring to FIG. 6, the present invention provides a fuel cell 600. The fuel cell 600 includes a membrane-electrode assembly 618, two flow field plates 610, two current collectors 612 and associated components 614.

膜‐電極接合体618は、固体高分子膜602及び二つの電極604を含む。単一の前記電極604は、ガス拡散層606及び触媒層608を含む。前記電極604はそれぞれ前記固体高分子膜602の両表面に設置され、前記触媒層608は前記固体高分子膜602及び前記ガス拡散層606の間に設置される。該ガス拡散層606は、カーボンナノチューブ構造体である。前記触媒層608は、金属粒子と炭素粒子を含む。該金属粒子は白金、金またはルテニウムなどであり、白金が好ましい。前記炭素粒子はグラファイト、カーボンブラック、炭素繊維またはカーボンナノチューブなどであり、カーボンナノチューブが好ましい。前記固体高分子膜602の材料は、ペルフルオロスルホン酸、ポリスチレンスルホン酸、ポリスチレントリフルオロ酢酸、フェノール樹脂酸または炭化水素である。該固体高分子膜602は、プロトンを伝導し、燃料ガス及び酸化剤とするガスを分離するのに用いられる。   The membrane-electrode assembly 618 includes a solid polymer membrane 602 and two electrodes 604. The single electrode 604 includes a gas diffusion layer 606 and a catalyst layer 608. The electrodes 604 are installed on both surfaces of the solid polymer film 602, and the catalyst layer 608 is installed between the solid polymer film 602 and the gas diffusion layer 606. The gas diffusion layer 606 is a carbon nanotube structure. The catalyst layer 608 includes metal particles and carbon particles. The metal particles are platinum, gold or ruthenium, and platinum is preferred. The carbon particles are graphite, carbon black, carbon fiber, carbon nanotube, or the like, with carbon nanotubes being preferred. The material of the solid polymer film 602 is perfluorosulfonic acid, polystyrene sulfonic acid, polystyrene trifluoroacetic acid, phenol resin acid or hydrocarbon. The solid polymer membrane 602 is used to conduct protons and separate a fuel gas and an oxidant gas.

前記フローフィールドプレート610は、前記電極604の前記ガス拡散層606の表面に設置され、燃料ガス、酸化剤であるガス及び反応物である水を伝導するために用いられる。前記フローフィールドプレート610は金属または導電性の炭素材料からなる。該フローフィールドプレート610の一つの表面に一つまたは複数のフローフィールド槽616を設置している。該フローフィールド槽616は、前記ガス拡散層606に隣接して設置され、燃料ガス、酸化剤であるガス及び反応物である水を案内して伝導するために用いられる。前記集電体612は、導電性材料からなり、前記フローフィールドプレート610の前記電極604が設置された表面に対向する表面に設置される。前記集電体612は、前記燃料電池600が作動する場合に生成した電子を収集して伝達することに用いられる。   The flow field plate 610 is installed on the surface of the gas diffusion layer 606 of the electrode 604 and is used to conduct fuel gas, gas as an oxidant, and water as a reactant. The flow field plate 610 is made of a metal or a conductive carbon material. One or a plurality of flow field tanks 616 are installed on one surface of the flow field plate 610. The flow field tank 616 is installed adjacent to the gas diffusion layer 606 and is used to guide and conduct the fuel gas, the gas as the oxidizer, and the water as the reactant. The current collector 612 is made of a conductive material, and is installed on the surface of the flow field plate 610 facing the surface on which the electrode 604 is installed. The current collector 612 is used to collect and transmit electrons generated when the fuel cell 600 is operated.

前記関連部品614は、送風機、チューブ及びバルブなどを含む。該送風機は、チューブにより前記フローフィールドプレート610に接続され、前記燃料電池600に燃料ガス及び酸化剤とするガスを提供するために用いられる。   The related parts 614 include a blower, a tube, a valve, and the like. The blower is connected to the flow field plate 610 by a tube, and is used for providing the fuel cell 600 with fuel gas and oxidant gas.

前記燃料電池600を使用する場合、前記関連部品614で燃料ガス及び酸化剤ガスを前記フローフィールドプレート610から通過させて、膜‐電極接合体618の固体高分子膜602の両表面に設置された電極604に注入させる。前記燃料ガスは水素ガスであり、前記酸化剤ガスは酸素ガスまたは酸素ガスを含む空気である。前記水素ガスは前記フローフィールド槽616を通してアノード(図示せず)に注入され、前記酸化剤ガスは前記フローフィールド槽616を通してカソード(図示せず)に注入される。   When the fuel cell 600 is used, fuel gas and oxidant gas are passed from the flow field plate 610 through the related component 614 and installed on both surfaces of the solid polymer membrane 602 of the membrane-electrode assembly 618. Injection into the electrode 604 is performed. The fuel gas is hydrogen gas, and the oxidant gas is oxygen gas or air containing oxygen gas. The hydrogen gas is injected into the anode (not shown) through the flow field tank 616, and the oxidant gas is injected into the cathode (not shown) through the flow field tank 616.

前記燃料電池600の一端に、前記水素ガスがアノードに注入された後、次の反応が起きる。   After the hydrogen gas is injected into the anode at one end of the fuel cell 600, the following reaction occurs.

→2H+2e H 2 → 2H + + 2e

前記反応から生成された水素イオンは、前記固体高分子膜602を通して、カソードに到達する。同時に、前記反応から生成された電子は、外部回路(図示せず)で前記カソードに到達する。   Hydrogen ions generated from the reaction reach the cathode through the solid polymer membrane 602. At the same time, the electrons generated from the reaction reach the cathode in an external circuit (not shown).

前記燃料電池600の他端に、前記酸素ガスがカソードに注入された後、前記酸素ガスと、前記水素イオン及び電子とは、次のように反応する。   After the oxygen gas is injected into the cathode at the other end of the fuel cell 600, the oxygen gas reacts with the hydrogen ions and electrons as follows.

1/2O+2H+2e→H1 / 2O 2 + 2H + + 2e → H 2 O

前記電気化学反応において、前記電子が電流を形成し、電気エネルギーが放出される。   In the electrochemical reaction, the electrons form a current and electrical energy is released.

前記反応工程において生じた水は、前記ガス拡散層606及び前記フローフィールドプレート610を通して前記膜‐電極接合体618の外部へ排出されることができる。前記反応工程において、前記フローフィールドプレート610はチャネルとして利用され、燃料ガス、酸化ガス及び電子を伝達することができる。前記フローフィールドプレート610を利用して、前記燃料ガス及び酸化ガスを前記触媒層に伝達させ、電子を前記フローフィールドプレート610に接続された外部回路に伝達させることができる。   Water generated in the reaction process can be discharged to the outside of the membrane-electrode assembly 618 through the gas diffusion layer 606 and the flow field plate 610. In the reaction process, the flow field plate 610 is used as a channel and can transmit fuel gas, oxidizing gas, and electrons. Using the flow field plate 610, the fuel gas and the oxidizing gas can be transmitted to the catalyst layer, and electrons can be transmitted to an external circuit connected to the flow field plate 610.

本実施形態において、前記ガス拡散層606はカーボンナノチューブ構造体を含む。該カーボンナノチューブ構造体におけるカーボンナノチューブが互いに巻き付き、等方的に、均一的に不規則に配列される。前記カーボンナノチューブ構造体は、均一的に分布された複数の微孔構造を有する。該カーボンナノチューブ構造体は非常に大きい比表面積を有する。   In the present embodiment, the gas diffusion layer 606 includes a carbon nanotube structure. The carbon nanotubes in the carbon nanotube structure are wound around each other and are isotropically and uniformly arranged irregularly. The carbon nanotube structure has a plurality of micropore structures that are uniformly distributed. The carbon nanotube structure has a very large specific surface area.

従って、燃料電池600の一端において、有効に均一に水素ガスが前記カーボンナノチューブ構造体に拡散できる。前記水素ガスは前記触媒層608の金属粒子に均一に接触するので、前記金属粒子及び前記水素ガスの間で生じる反応が非常に活性化される。前記燃料電池600の他端において、前記酸素ガスが前記カーボンナノチューブ構造体で均一に前記触媒層608に拡散されるので、前記酸素ガスは十分に前記触媒層608の金属に接触することができる。従って、前記金属粒子と前記水素イオン及び電子との間で生じる反応が非常に活性化される。前記カーボンナノチューブ構造体は良好な導電性を有するので、前記電子は前記カーボンナノチューブ構造体により速く伝達されることができる。   Accordingly, hydrogen gas can diffuse effectively and uniformly into the carbon nanotube structure at one end of the fuel cell 600. Since the hydrogen gas uniformly contacts the metal particles of the catalyst layer 608, the reaction that occurs between the metal particles and the hydrogen gas is highly activated. At the other end of the fuel cell 600, the oxygen gas is uniformly diffused into the catalyst layer 608 by the carbon nanotube structure, so that the oxygen gas can sufficiently contact the metal of the catalyst layer 608. Therefore, the reaction that occurs between the metal particles and the hydrogen ions and electrons is highly activated. Since the carbon nanotube structure has good conductivity, the electrons can be transferred to the carbon nanotube structure faster.

本発明の実施形態に係る燃料電池の膜‐電極接合体の構造を示す図である。It is a figure which shows the structure of the membrane-electrode assembly of the fuel cell which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る燃料電池の膜‐電極接合体の製造方法のフローチャートである。3 is a flowchart of a method for manufacturing a membrane-electrode assembly of a fuel cell according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態から製造された綿毛構造のカーボンナノチューブ構造の写真である。2 is a photograph of a carbon nanotube structure having a fluff structure manufactured from an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態から製造された、所定の形状を有するカーボンナノチューブ構造体の写真である。3 is a photograph of a carbon nanotube structure having a predetermined shape manufactured from an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態から製造された、カーボンナノチューブ構造体が折り畳まれた写真である。2 is a photograph of a carbon nanotube structure produced from an embodiment of the present invention folded. 本発明の実施形態に係る燃料電池の構造を示す図である。It is a figure which shows the structure of the fuel cell which concerns on embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

10 膜‐電極接合体
12 固体高分子膜
14 電極
16 ガス拡散層
18 触媒層
600 燃料電池
602 固体高分子膜
604 電極
606 ガス拡散層
608 触媒層
610 フローフィールドプレート
612 集電体
614 関連部品
616 フローフィールド槽
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Membrane-electrode assembly 12 Solid polymer membrane 14 Electrode 16 Gas diffusion layer 18 Catalyst layer 600 Fuel cell 602 Solid polymer membrane 604 Electrode 606 Gas diffusion layer 608 Catalyst layer 610 Flow field plate 612 Current collector 614 Related parts 616 Flow Field tank

Claims (8)

固体高分子膜と、該固体高分子膜の両表面にそれぞれ設置された電極とを含む膜‐電極接合体において、
前記電極がガス拡散層と触媒層を含み、
前記触媒層が前記固体高分子膜と前記ガス拡散層の間に設置され、
前記ガス拡散層が、カーボンナノチューブ構造体を含み、
該カーボンナノチューブ構造体が、互いに絡み合ったカーボンナノチューブを含むことを特徴とする燃料電池の膜‐電極接合体。
In a membrane-electrode assembly comprising a solid polymer membrane and electrodes respectively installed on both surfaces of the solid polymer membrane,
The electrode includes a gas diffusion layer and a catalyst layer;
The catalyst layer is disposed between the solid polymer membrane and the gas diffusion layer;
The gas diffusion layer includes a carbon nanotube structure;
A membrane-electrode assembly of a fuel cell, wherein the carbon nanotube structure includes carbon nanotubes intertwined with each other.
前記カーボンナノチューブ構造体において、カーボンナノチューブが等方的に、均一的に不規則に配列されていることを特徴とする、請求項1に記載の燃料電池の膜‐電極接合体。   2. The fuel cell membrane-electrode assembly according to claim 1, wherein in the carbon nanotube structure, the carbon nanotubes are isotropically and uniformly arranged irregularly. 前記カーボンナノチューブ構造体において、単一の前記カーボンナノチューブの長さが10マイクロメートル以上であることを特徴とする、請求項1または2のいずれかに記載の燃料電池の膜‐電極接合体。   3. The fuel cell membrane-electrode assembly according to claim 1, wherein in the carbon nanotube structure, a single carbon nanotube has a length of 10 μm or more. 4. 前記カーボンナノチューブ構造体において、前記カーボンナノチューブが分子間力で絡み合って、ネットワーク構造が形成されていることを特徴とする、請求項1から3のいずれか一項に記載の燃料電池の膜‐電極接合体。   The membrane-electrode of a fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein in the carbon nanotube structure, the carbon nanotubes are entangled by intermolecular force to form a network structure. Joined body. 前記カーボンナノチューブ構造体が、複数の微孔構造を有し、
単一の前記微孔構造の孔径が100マイクロメートル以下であることを特徴とする、請求項1から4のいずれか一項に記載の燃料電池の膜‐電極接合体。
The carbon nanotube structure has a plurality of microporous structures;
The membrane-electrode assembly of a fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein the pore diameter of the single microporous structure is 100 micrometers or less.
前記カーボンナノチューブ構造体において、前記ガス拡散層の厚さが1マイクロメートル〜2ミリメートルであることを特徴とする、請求項1から5のいずれか一項に記載の燃料電池の膜‐電極接合体。   6. The fuel cell membrane-electrode assembly according to claim 1, wherein in the carbon nanotube structure, the gas diffusion layer has a thickness of 1 micrometer to 2 millimeters. . ガス拡散層とするカーボンナノチューブ構造体を製造する第一ステップと、
前記ガス拡散層の表面に触媒層を形成し、電極を形成する第二ステップと、
固体高分子膜を提供し、該固体高分子膜の両表面にそれぞれ前記電極を設置し、燃料電池の膜‐電極接合体を形成する第三ステップと、
を含むことを特徴とする燃料電池の膜‐電極接合体の製造方法。
A first step of producing a carbon nanotube structure as a gas diffusion layer;
A second step of forming a catalyst layer on the surface of the gas diffusion layer to form an electrode;
Providing a solid polymer membrane, placing the electrodes on both surfaces of the solid polymer membrane, respectively, and forming a fuel cell membrane-electrode assembly;
A method for producing a membrane-electrode assembly for a fuel cell, comprising:
前記ガス拡散層とするカーボンナノチューブ構造体を製造する第一ステップが、
カーボンナノチューブの原料を提供する第一サブステップと、
前記カーボンナノチューブの原料を溶剤に浸漬し、該カーボンナノチューブの原料を処理して、綿毛構造のカーボンナノチューブ構造を形成する第二サブステップと、
前記綿毛構造のカーボンナノチューブ構造をろ過して、カーボンナノチューブ構造体を形成する第三サブステップと、
を含むことを特徴とする、請求項7に記載の燃料電池の膜‐電極接合体の製造方法。
The first step of producing a carbon nanotube structure as the gas diffusion layer is:
A first sub-step of providing carbon nanotube raw materials;
A second sub-step of immersing the carbon nanotube raw material in a solvent and treating the carbon nanotube raw material to form a fluffy carbon nanotube structure;
A third sub-step of forming a carbon nanotube structure by filtering the carbon nanotube structure of the fluff structure;
The method for producing a membrane-electrode assembly for a fuel cell according to claim 7, comprising:
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